CN105043531B - 声场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声场测量装置，包括：数据处理器、激励信号发生器、激励信号放大器、换能器、激光器、第一图像传感器和第二图像传感器，其中，数据处理器、激励信号发生器、激励信号放大器和换能器依次连接，激光器、发散透镜、凸透镜、第一分光镜、换能器产生的声场、第二分光镜、傅里叶变换透镜和第一图像传感器依次设置在同一直线上，反光镜垂直设置于第一分光镜的下方，第三分光镜垂直设置于第二分光镜的下方，且反光镜、第三分光镜和第二图像传感器依次设置在同一直线上，第一图像传感器和第二图像传感器分别连接数据处理器。本发明还提供了一种声场测量方法。本发明可以测量声场声压分布和定量测量声压。

Description

声场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及超声技术领域，尤其涉及一种声场测量装置及方法。

背景技术

声场成像广泛存在于应用于超声检测和超声医疗，尤其是超声诊断中，声压需要严格限制，不能超过规定值，为此，相关规定要求相关设备在使用前和使用中定期进行声场声压分布测量和声场声压定量测量，所以测量声场声压分布和准确定量测量声压显得尤为重要。

传统的测量方法都具有一定的局限性，常见的测量方法有：

(1)水听器法：由于适用于各种流体中声场的测量。但该方法属于侵入式测量方法，由于水听器要预先校准；水听器的引入使原来的声场发生变化，此法测量误差较大，尤其是高频声场的定量测量，且测量声压分布时效率较低；

(2)基于辐射力天平测量的方法：连续声波垂直入射于反射靶，测量靶上接收到的声辐射力，计算声功率。该方法只能测量平面活塞换能器和圆孔径球面聚焦超声换能器辐射连续声波的声功率，对于复杂的声场(如线聚焦声场)声功率的测量目前还没有辐射压力和声压的定量关系，也不能用于精确测量脉冲声场的声功率和声压，不能用于测量声压分布。

(3)量热法测量声功率：超声对高吸收物质作用后产生的热量引起温度升高，测量温升，经校准和计算，得到声功率，温度变化还可以通过测量声速来确定。

(4)自易法和互易法：对于互易的电声换能器，其接收灵敏度和发送响应之比为一常数，即为互易常数，分别测量若干对发射换能器-接收换能器排列对的换能器转移阻抗，应用互易常数可计算得到换能器的发送响应。进而理论计算出声场强度，很明显，该方法是一种换能器校准方法，不适合用于定量测量声场。

(5)Michelson干涉条纹法：声场引起媒质折射率的变化进而影响Michelson干涉条纹的变化，通过分析干涉条纹的变化，计算声压；或者通过Michelson干涉仪测量声辐射面的振幅估算换能器辐射声压。但是该方法只适合于50KHz以下的低频超声场的测量，0.3MHz以上的高频声场的定量测量比较困难。

然而在医学超声诊断和应用中，所用的超声波频率一般为兆赫兹量级，对于平面波声场，声场的衍射光分布呈一系列的亮点，亮点间距与声波长有关，光强度与声压有关，当相邻两个点能清楚区分时就可以对声场进行定量测量，而对于聚焦声场，其焦斑可以近似为平面波，也可以进行定量测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种声场测量方法及装置，可以测量声场声压分布和准确定量测量声压。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种声场测量装置，包括：数据处理器、激励信号发生器、激励信号放大器、换能器、激光器、发散透镜、凸透镜、第一分光镜、第二分光镜、反光镜、第三分光镜、傅里叶变换透镜、第一图像传感器和第二图像传感器，其中，

所述数据处理器、所述激励信号发生器、所述激励信号放大器和所述换能器依次连接，所述数据处理器用于发送开始信号至所述激励信号发生器，所述激励信号发生器用于在收到所述开始信号时发出激励信号，所述激励信号放大器用于将接收的激励信号进行放大，所述换能器用于根据放大的激励信号辐射声波，产生声场；

所述激光器、所述发散透镜、所述凸透镜、所述第一分光镜、所述换能器产生的声场、所述第二分光镜、所述傅里叶变换透镜和所述第一图像传感器依次设置在同一直线上，所述反光镜垂直设置于所述第一分光镜的下方，所述第三分光镜垂直设置于所述第二分光镜的下方，且所述反光镜、所述第三分光镜和所述第二图像传感器依次设置在同一直线上，从而使经过声场的光线通过所述傅里叶变换透镜后，在所述第一图像传感器产生衍射光斑图像，使经过声场的光线和未经过声场的光线干涉，在所述第二图像传感器产生声场的光学非侵入式成像；

所述第一图像传感器和所述第二图像传感器分别连接所述数据处理器，所述数据处理器还用于获取所述衍射光斑图像和所述声场的光学非侵入式成像，并根据所述衍射光斑图像和所述声场的光学非侵入式成像计算声场声压和声场声压分布。

进一步的，在测量液体中的声场声压和声场声压分布时，所述声场测量装置还包括液体槽，所述液体槽中盛有液体，所述液体槽底部放置有声吸收体，所述液体槽设置于所述第一分光镜和所述第二分光镜之间，所述换能器头部浸入所述液体槽中，声轴位于所述傅里叶变换透镜的前焦面上，在液体槽中产生声场。

本发明还提供了一种声场测量方法，所述方法是基于上述的声场测量装置，则所述方法包括：

打开激光器，调整所述第一图像传感器亮度、位置和方向，从而使得没有声场时，所述第一图像传感器上成的像接近圆形斑点，且圆形斑点最小，并位于所述第一图像传感器的中心部位；

在所述数据处理器上设置延时曝光，并发送开始信号至所述激励信号产生器，促使所述换能器根据放大的激励信号辐射声波，产生声场；

延时到达后，所述第一图像传感器和所述第二图像传感器曝光，使所述数据处理器获取在所述第一图像传感器产生的衍射光斑图像，以及所述第二图像传感器产生的声场的光学非侵入式成像；

所述数据处理器根据获取的所述光学非侵入式成像的灰度值或颜色值得到声场的声压分布，其中，当声场引起光相位变化在一个周期之内时，所述光学非侵入式成像的灰度值或颜色值与声场的声压为线性关系；

所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压。

进一步的，所述方法还包括：

当测量声场中部分区域的声压时，将光阑放置于声场后方，使得经过需要测量的声场区域的光透过光阑被检测，其它部分的光被光阑遮挡；所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压。

其中，所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压，具体包括：

根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距计算得到声速，其中，

c₀＝f_aλ_rayf₂/△u，式中，c₀表示声速，△u表示光斑间距，f_a为声频率，f₂为所述傅里叶变换透镜的焦距，λ_ray为激光器发射的光线的波长；

根据获取的所述衍射光斑图像的光斑强度和声速计算得到声压沿光路的积分，其中，

式中，表示声压沿光路的积分，I_m、I_m-1、I_m+1分别是m阶、m+1阶和m-1阶衍射光斑的光强，α_p是压光系数，ρ₀是声场所在介质的密度；

根据光路上声压最大值与所述声压沿光路的积分之间的关系，计算得到光路上声压最大值，其中，

式中，p_sp表示声压最大值，f(^p _sp)表示声压最大值与所述声压沿光路的积分之间的关系，L₀表示换能器沿光路方向的长度；

根据光路上其它点与声压最大值的关系，定量求出光路上任意一点的声压。

进一步的，所述方法还包括：

调节所述激励信号发生器的激励电压，从而得到不同电压激励下的声场声压，得到激励电压和换能器的声场声压的关系，从而实现对换能器的校准。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以测量声场声压分布和定量测量声压。

2、第一图像传感器和第二图像传感器同时曝光且曝光时间相同，可以设定图像传感器曝光的起始时刻和换能器激励信号起始时刻的延时，实现对行波声场和不同时刻脉冲声场的成像和定量测量，对于脉冲声场，改变延时可以实现对声场的动态成像和测量。

3、对于聚焦声场，其焦斑声场可近似为平面波声场，因此可以采用光阑进行定量测量，通过选择合理的光阑和光阑位置，可实现对声场中某部分区域的声压进行定量测量，可实现各种形式的液体和气体中声场的成像和聚焦声场焦斑声压的定量测量。

4、可以实现换能器的校准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的声场测量装置的一个实施例的框图；

图2是本发明提供的声场测量装置的另一实施例的框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的声场测量装置的一个实施例的框图，包括：数据处理器101、激励信号发生器102、激励信号放大器103、换能器104、激光器105、发散透镜106、凸透镜107、第一分光镜108、第二分光镜109、反光镜110、第三分光镜111、傅里叶变换透镜112、第一图像传感器113和第二图像传感器114。

数据处理器101、激励信号发生器102、激励信号放大器103、换能器104依次连接，数据处理器101用于发送开始信号至所述激励信号发生器102，所述激励信号102发生器用于在收到所述开始信号时发出激励信号，所述激励信号放大器103用于将接收的激励信号进行放大，所述换能器104用于根据放大的激励信号辐射声波，产生声场。

激光器105、发散透镜106、凸透镜107、第一分光镜108、换能器104产生的声场、第二分光镜109、傅里叶变换透镜112和第一图像传感器113依次设置在同一直线上，反光镜110垂直设置于第一分光镜108的下方，第三分光镜111垂直设置于第二分光镜109的下方，且反光镜110、第三分光镜110和第二图像传感器114依次设置在同一直线上。换能器104声辐射方向与光传播方向垂直，若换能器104为凹柱面换能器时，还要求换能器104的凹面轴向与光传播方向平行。激光器105发射的光线经过发散透镜106、凸透镜107后在第一分光镜108处分为两束光线，一束光线经过声场后再在第二分光镜112处分为两束光线，第一分光镜处分的另一束光线经反光镜110反射后在第三分光镜111处分为两束光线，因此，经过声场的光线通过傅里叶变换透镜112后，在第一图像传感器113产生衍射光斑图像，经过声场的光线和未经过声场的光线干涉，在第二图像传感器114产生声场的光学非侵入式成像。

第一图像传感器113和第二图像传感器114分别连接数据处理器101，数据处理器101还用于获取衍射光斑图像和声场的光学非侵入式成像，并根据衍射光斑图像和声场的光学非侵入式成像计算声场声压和声场声压分布。

如图2所示，在测量液体中的声场声压和声场声压分布时，本发明还包括液体槽115，液体槽115中盛有液体，液体槽115底部放置有声吸收体116，液体槽115设置于第一分光镜108和第二分光镜109之间，换能器104头部浸入液体槽115中，辐射声场的声轴在所述傅里叶变换透镜的前焦面上，从而在液体槽115中产生声场。

本发明还提供了一种声场测量方法，所述方法是基于图1或图2的声场测量装置，所述方法包括步骤：

S201、打开激光器，调整所述第一图像传感器亮度、位置和方向，从而使得没有声场时，所述第一图像传感器上成的像接近圆形斑点，且圆形斑点最小，并位于所述第一图像传感器的中心部位。其中圆形斑点中心最亮，向周围逐渐变暗。

S202、在所述数据处理器上设置延时曝光，并发送开始信号至所述激励信号产生器，促使所述换能器根据放大的激励信号辐射声波，产生声场。

S203、延时到达后，所述第一图像传感器和所述第二图像传感器曝光，使所述数据处理器获取在所述第一图像传感器产生的衍射光斑图像，以及所述第二图像传感器产生的声场的光学非侵入式成像。

其中，所述第一图像传感器接收衍射光斑图像，此时衍射光斑成一系列圆斑点，其中圆斑中心最亮，向周围逐渐变暗，所有衍射光斑的圆心共线，衍射光斑圆心连线平行于焦斑处近似平面波的传播方向，相邻斑点的中心间距相等。

S204、所述数据处理器根据获取的所述光学非侵入式成像的灰度值或颜色值得到声场的声压分布，其中，当声压对光相位的改变在一个周期内时，所述光学非侵入式成像的灰度值或颜色值与声场的声压为线性关系。

具体的，光学非侵入式成像的灰度值或颜色值与声场的声压为线性关系，即灰度值或颜色值越大，声场的声压越大，因此，根据光学非侵入式成像的灰度值或颜色值可以得知声场的声压分布。

S205、所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压。

具体的，步骤S205包括步骤：

S2051、根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距计算得到声速.

其中，c₀＝f_aλ_rayf₂/△u，式中，c₀表示声速，△u表示光斑间距，f_a为声频率，f₂为所述傅里叶变换透镜的焦距，λ_ray为激光器发射的光线的波长。

S2052、根据获取的所述衍射光斑图像的光斑强度和声速计算得到声压沿光路的积分。

其中，式中，表示声压沿光路的积分，I_m、I_m-1、I_m+1分别是m阶、m+1阶和m-1阶衍射光斑的光强，α_p是压光系数，ρ₀是声场所在介质的密度。具体的，m阶干涉光斑的圆心灰度值或颜色值为m阶阶衍射光斑的光强I_m。声场在气体中时，声场所在介质的密度ρ₀为气体密度，声场在液体中时，声场所在介质的密度ρ₀为液体的密度。

S2053、根据光路上声压最大值与所述声压沿光路的积分之间的关系，计算得到光路上声压最大值。

其中，式中，p_sp表示声压最大值，f(p_sp)表示声压最大值与所述声压沿光路的积分之间的关系，L₀表示换能器沿光路方向的长度。

例如，假设待测量的声场沿光路等幅分布，幅值为p_pa，且声场主要分布在换能器沿光路方向长度的范围内，则由相邻三阶衍射光的光强I_m、I_m-1、I_m+1计算出再由可以计算出声压p_pa。

S2054、根据光路上其它点与声压最大值的关系，定量求出光路上任意一点的声压。

具体的，得知声压最大值后，再根据光路上其它点与声压最大值的关系，即可求出光路上任意一点的声压。

S206、当测量声场中部分区域的声压时，将光阑放置于声场后方，使得经过需要测量的声场区域的光透过光阑被检测，其它部分的光被光阑遮挡；所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压。

其中，所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压，具体参考步骤S205。

S207、调节所述激励信号发生器的激励电压，从而得到不同电压激励下的声场声压，得到激励电压和换能器的声场声压的关系，从而实现对换能器的校准。

具体的，变换激励电压的强度，增大电压时会出现更高级的衍射光斑，每个光斑都是中心最亮，向周围逐渐变暗，光斑始终共线，且连线平行于焦斑处近似平面波的传播方向，当激励电压为一定值时可以出现某级光斑缺失现象。仍可以利用步骤S205计算不同激励电压下的声压强度，得到激励电压和换能器的声场声压的关系，即实现对换能器的校准。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以测量声场声压分布和定量测量声压。

2、第一图像传感器和第二图像传感器同时曝光且曝光时间相同，可以设定图像传感器曝光的起始时刻和换能器激励信号起始时刻的延时，实现对行波声场和不同时刻脉冲声场的成像和定量测量，对于脉冲声场，改变延时可以实现对声场的动态成像和测量。

3、对于聚焦声场，其焦斑声场可近似为平面波声场，因此可以采用光阑进行定量测量，通过选择合理的光阑和光阑位置，可实现对声场中某部分区域的声压进行定量测量，可实现各种形式的液体和气体中声场的成像和聚焦声场焦斑声压的定量测量。

4、可以实现换能器的校准。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种声场测量装置，其特征在于，包括：数据处理器、激励信号发生器、激励信号放大器、换能器、激光器、发散透镜、凸透镜、第一分光镜、第二分光镜、反光镜、第三分光镜、傅里叶变换透镜、第一图像传感器和第二图像传感器，其中，

所述数据处理器、所述激励信号发生器、所述激励信号放大器和所述换能器依次连接，所述数据处理器用于发送开始信号至所述激励信号发生器，所述激励信号发生器用于在收到所述开始信号时发出激励信号，所述激励信号放大器用于将接收的激励信号进行放大，所述换能器用于根据放大的激励信号辐射声波，产生声场；

所述激光器、所述发散透镜、所述凸透镜、所述第一分光镜、所述换能器产生的声场、所述第二分光镜、所述傅里叶变换透镜和所述第一图像传感器依次设置在同一直线上，所述反光镜垂直设置于所述第一分光镜的下方、将来自第一分光镜的光线反射给第三分光镜，所述第三分光镜垂直设置于所述第二分光镜的下方，且所述反光镜、所述第三分光镜和所述第二图像传感器依次设置在同一直线上，从而使经过声场的光线通过所述傅里叶变换透镜后，在所述第一图像传感器产生衍射光斑图像，使经过声场的光线和未经过声场的光线干涉，在所述第二图像传感器产生声场的光学非侵入式成像；

所述第一图像传感器和所述第二图像传感器分别连接所述数据处理器，所述数据处理器还用于获取所述衍射光斑图像和所述声场的光学非侵入式成像，并根据所述衍射光斑图像和所述声场的光学非侵入式成像计算声场声压和声场声压分布。

2.如权利要求1所述的声场测量装置，其特征在于，在测量液体中的声场声压和声场声压分布时，所述声场测量装置还包括液体槽，所述液体槽中盛有液体，所述液体槽底部放置有声吸收体，所述液体槽设置于所述第一分光镜和所述第二分光镜之间，所述换能器头部浸入所述液体槽中，辐射声场的声轴在所述傅里叶变换透镜的前焦面上，在液体槽中产生声场。

3.一种声场测量方法，其特征在于，所述方法是基于权利要求1或2所述的声场测量装置，则所述方法包括：

打开激光器，调整所述第一图像传感器亮度、位置和方向，从而使得没有声场时，所述第一图像传感器上成的像接近圆形斑点，且圆形斑点最小，并位于所述第一图像传感器的中心部位；

在所述数据处理器上设置延时曝光，并发送开始信号至所述激励信号产生器，促使所述换能器根据放大的激励信号辐射声波，产生声场；

延时到达后，所述第一图像传感器和所述第二图像传感器曝光，使所述数据处理器获取在所述第一图像传感器产生的衍射光斑图像，以及所述第二图像传感器产生的声场的光学非侵入式成像；

所述数据处理器根据获取的所述光学非侵入式成像的灰度值或颜色值得到声场的声压分布，其中，当声压对光相位的改变在一个周期内时，所述光学非侵入式成像的灰度值或颜色值与声场的声压为线性关系；

所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压。

4.如权利要求3所述的声场测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

当测量声场中部分区域的声压时，将光阑放置于声场后方，使得经过需要测量的声场区域的光透过光阑被检测，其它部分的光被光阑遮挡；所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压。

5.如权利要求4所述的声场测量方法，其特征在于，所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压，具体包括：

根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距计算得到声速，其中，

c₀＝f_aλ_rayf₂/Δu，式中，c₀表示声速，Δu表示光斑间距，f_a为声频率，f₂为所述傅里叶变换透镜的焦距，λ_ray为激光器发射的光线的波长；

根据获取的所述衍射光斑图像的光斑强度和声速计算得到声压沿光路的积分，其中，

式中，表示声压沿光路的积分，I_m、I_m-1、I_m+1分别是m阶、m+1阶和m-1阶衍射光斑的光强，α_p是压光系数，ρ₀是声场所在介质的密度；

根据光路上声压最大值与所述声压沿光路的积分之间的关系，计算得到光路上声压最大值，其中，

式中，p_sp表示声压最大值，f(p_sp)表示声压最大值与所述声压沿光路的积分之间的关系，L₀表示换能器沿光路方向的长度；

根据光路上其它点与声压最大值的关系，定量求出光路上任意一点的声压。

6.如权利要求3所述的声场测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

调节所述激励信号发生器的激励电压，从而得到不同电压激励下的声场声压，得到激励电压和换能器的声场声压的关系，从而实现对换能器的校准。